كم تدوم بطارية الطائرة المُسيرة؟

1. مقدمة

تُعَدُّ مدة طيران الطائرة المُسيرة (الدرون) واحدةً من أبرز المؤشرات التي تُحدِّد قيمتها العملية. فسواء كانت الطائرة غير المأهولة (UAV) تُستخدم في التصوير السينمائي، أو مراقبة الزراعة، أو فحص البنية التحتية، أو الاستجابة للطوارئ، فإن قدرتها على البقاء في الجو تُقرِّر مدى فعاليتها في إنجاز المهمة الموكلة إليها. وعلى الرغم من التقدُّم السريع المحرز في أنظمة الدفع والذكاء المدمج onboard، لا تزال محدودية البطاريات تشكِّل العائق الرئيسي أمام معظم الطائرات المُسيرة الكهربائية. ولذلك، فإن تحسين عمر البطارية ليس مجرَّد تحسينٍ نقطيٍّ واحدٍ، بل هو تحدٍّ يتعلَّق بتحسين الأداء على مستوى النظام ككل، ويشمل ذلك تحسين التركيب الكيميائي للبطاريات، والديناميكا الهوائية، والإلكترونيات، واستراتيجيات التشغيل. وتقدِّم هذه المقالة مناقشةً مُعاد هيكلتها جذريًّا ومُثرَةً تقنيًّا حول الأساليب التي يمكن أن تُطيل عمر بطارية الطائرة المُسيرة بشكلٍ ملموس.

٢. تحسينات كيمياء البطاريات وتخزين الطاقة

تتمثل أساسية زيادة مدة الطيران في مصدر الطاقة نفسه. وعلى الرغم من هيمنة بطاريات الليثيوم-بوليمر والليثيوم-أيون في سوق المركبات الجوية غير المأهولة (UAV)، فإن أدائها قد يتأثر تأثراً كبيراً بتراكيب المواد المستخدمة وتصميمها الداخلي. وتتميز أنواع الليثيوم-أيون الحديثة، مثل بطاريات NMC وNCA، بكثافة طاقية كتلية أعلى وسلوك حراري محسَّن مقارنةً ببطاريات الليثيوم-بوليمر (LiPo) الأقدم. وتتيح هذه التركيبات الكيميائية للطائرات المسيرة تخزين طاقة أكبر دون زيادة في الوزن، ما ينعكس مباشرةً في إطالة مدة المهام.
وراء أنظمة الليثيوم التقليدية، تظهر تقنيات الجيل القادم. فعلى سبيل المثال، تستبدل بطاريات الحالة الصلبة الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال بموصلات صلبة، مما يمكّن من تحقيق كثافة طاقة أعلى ويقلل من مخاطر الانفجار الحراري. أما بطاريات الليثيوم-الكبريت، رغم محدودية عمرها التشغيلي حتى الآن، فهي تعدّ بتحقيق كثافة طاقة تفوق بضع مرات كثافة خلايا الليثيوم-أيون الحالية. كما تمثّل خلايا الوقود الهيدروجينية ومفاهيم الليثيوم-الهواء إمكانيات طويلة الأمد للطائرات غير المأهولة (UAVs) ذات المدى التشغيلي الفائق. وعلى الرغم من أن هذه التقنيات ليست بعد في طور الاستخدام الواسع، فإنها تُجسِّد الاتجاه الذي تتجه إليه أنظمة الطاقة الخاصة بالطائرات المسيرة.

٣. التحسين الهيكلي وتخفيض الوزن

يظل تقليل الكتلة أحد أكثر الطرق فعاليةً لزيادة مدة الطيران، لأن القدرة المطلوبة لتوليد قوة الرفع تزداد تناسبيًّا مع الوزن. وقد أتاحت التطورات في علوم المواد بناء هياكل الطائرات المسيرة بحيث تكون أخف وزنًا وأكثر متانةً في آنٍ واحد. وتُستخدم مركبات ألياف الكربون والبوليمرات عالية القوة وسبائك المغنيسيوم حاليًّا على نطاق واسع لتقليل الكتلة الإنشائية دون المساس بالمتانة.
ولا يقتصر تقليل الوزن على الهيكل فحسب، بل يشمل أيضًا تصغير المكونات الإلكترونية — مثل وحدات التحكم في الطيران، ووحدات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والكاميرات، وأنظمة الاتصال — ما يسهم كذلك في تحسين المدى التشغيلي. كما أن دمج عدة وظائف في لوحة واحدة يقلل من تعقيد الأسلاك والكتلة الإجمالية. وبالمثل، فإن التحسينات الهوائية تعزِّز الكفاءة أكثر فأكثر؛ إذ تقلل الذراعان الانسيابيتان والأسطح الملساء والأجسام ذات الأشكال المُحسَّنة من مقاومة الهواء، مما يسمح للطائرة المسيرة بالحفاظ على الارتفاع المطلوب باستخدام طاقة أقل.

٤. كفاءة نظام الدفع

نظام الدفع هو أكبر مستهلك للطاقة في الطائرة متعددة المراوح، لذا فإن أية تحسينات طفيفة حتىً قد تمدّد وقت الطيران بشكل ملحوظ. ويؤدي اختيار المحرك دورًا محوريًّا في ذلك. فالمحركات ذات المقاومة الداخلية الأقل، والمغناطيسات عالية الجودة، والتصنيفات المناسبة لقيمة KV تعمل بكفاءة أعلى تحت الحمْل. أما بالنسبة للطائرات الأثقل وزنًا، فإن المحركات الأكبر حجمًا التي تعمل عند سرعات دوران أقل غالبًا ما توفر نسب دفع إلى طاقة أفضل.
ويُعَدُّ تصميم المراوح بنفس القدر من الأهمية. فالمراوح ذات القطر الأكبر التي تدور بسرعات أبطأ عادةً ما تولِّد رفعًا أكثر كفاءة. كما أن هندسة الشفرات، وزاوية الميل (Pitch Angle)، وصلابة المادة تؤثِّر جميعها في الأداء الهوائي. فعلى سبيل المثال، تحافظ المراوح المصنوعة من ألياف الكربون على شكلها تحت الحمْل أفضل من المراوح البلاستيكية، مما يقلل الفقد في الطاقة الناتج عن الانثناء. وتُسهم وحدات التحكم الإلكترونية في سرعة المحرك (ESCs) أيضًا في تحسين الكفاءة. فوحدات التحكم الحديثة التي تستخدم تقنية التحكم الموجَّه بالمجال (FOC) تحقِّق تشغيلًا أكثر سلاسة للمحرك وتقلل الضوضاء الكهربائية، ما يحسِّن الاستخدام العام للطاقة.

٥. الإدارة الذكية للطاقة والتحكم في الطيران

يُعتبر تحسين البرمجيات أسلوبًا فعّالًا جدًّا لتمديد عمر البطارية، رغم أنه غالبًا ما يُهمَل. ويمكن لمضخَّمات التحكم في الطيران المتطوِّرة، المزوَّدة بخوارزميات تكيُّفية، أن تُعدِّل إخراج المحركات استنادًا إلى الظروف الفعلية اللحظية، مما يقلِّل من استهلاك الطاقة غير الضروري. كما يمكن لأنظمة التحكم التنبُّئية أن تتوقَّع اضطرابات الرياح وتعوِّض عنها بسلاسة بدلًا من الاستجابة لها عبر تصحيحات مفاجئة.
كما يؤثِّر تخطيط مسار الطيران في استهلاك الطاقة. ويتجنَّب التصميم الفعّال للمهمة الانعطافات الحادة والتغيُّرات المفاجئة في الارتفاع والتغطية الزائدة عن الحاجة. أما في مهام المسح الجوي، فيمكن أن يؤدي تحسين نسبة التداخل وضبط سرعة الطيران إلى خفض استهلاك الطاقة بشكلٍ ملحوظ. ويُعدُّ البقاء في وضع الطفو (Hovering)، الذي يستهلك طاقةً بكثافةٍ عاليةٍ بطبيعته في الطائرات متعددة المراوح (multirotor drones)، أكثر كفاءةً من خلال خوارزميات تثبيت محسَّنة تقلِّل من الاهتزازات الدقيقة.

٦. الاعتبارات البيئية والتشغيلية

حتى أحدث الأجهزة الصلبة قد تؤدي أداءً دون المستوى المطلوب إذا تم تشغيلها بشكل غير سليم. وللظروف البيئية تأثيرٌ كبيرٌ على عمر البطارية. فدرجات الحرارة المنخفضة تُبطئ التفاعلات الكيميائية داخل بطاريات الليثيوم، مما يقلل من السعة المتاحة. كما أن الرياح القوية تجبر الطائرة بدون طيار على استهلاك طاقة إضافية للحفاظ على موضعها. وبالتالي، فإن الطيران في ظروف جوية معتدلة يُحسّن إلى أقصى حدٍ من مدة الطيران.
وتُعَدُّ معالجة البطاريات عاملًا حاسمًا آخر. فتسخين البطاريات مسبقًا ضمن نطاق درجة الحرارة المثلى يحسّن كفاءة التفريغ. كما أن تجنّب إدخالات دواسة التحكم في السرعة (الثروتل) العنيفة، والحفاظ على تسارعٍ سلس، وتقليل المناورات غير الضرورية، كلُّ ذلك يسهم في إطالة مدة الطيران. وتكمن أهمية إدارة الحمولة في المقابل بنفس القدر. فإزالة الملحقات غير الأساسية، واستخدام كاميرات خفيفة الوزن، وتوزيع الوزن بتوازنٍ مناسب، كلُّها إجراءاتٌ تقلل من الطاقة المطلوبة لتحقيق طيرانٍ مستقر.
يؤدي الصيانة السليمة للبطاريات إلى تحسين الأداء الفوري وتعزيز الصحة طويلة المدى للبطارية. ويشمل ذلك تخزين البطاريات عند شحنة جزئية، وتجنب التفريغ العميق، والتحقق الدوري من المقاومة الداخلية، مما يساعد على الحفاظ على السعة مع مرور الوقت.

٧. أنظمة الطاقة البديلة للمهام الممتدة

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب زمن طيران أطول بكثيرٍ ممَّا تتيحه البطاريات التقليدية، فإن أنظمة الطاقة الهجينة والبديلة تُقدِّم حلولًا واعدة. وتستخدم الطائرات المسيرة الهجينة الكهربائية-الغازية محركات احتراق صغيرة لتوليد الكهرباء أثناء الطيران، ما يمكِّن المنصات متعددة المراوح من البقاء في الجو لساعاتٍ عديدة. أما الطائرات المسيرة التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين، والتي تُستخدم بالفعل في عمليات صناعية متخصصة، فتوفر أزمنة طيران طويلة مع انبعاثات ضئيلة جدًّا.
تمثل الطائرات المُسيرة المدعومة بالطاقة الشمسية مسارًا آخر. ويمكن للطائرات المُسيرة غير المأهولة ذات الأجنحة الثابتة، والمزودة بألواح شمسية خفيفة الوزن، جمع الطاقة أثناء الطيران، ما يوسع مدة المهمة بشكل كبير. وقد أظهرت بعض المنصات التجريبية قدرةً على الاستمرار في الطيران لعدة أيامٍ متتالية من خلال دمج الطاقة الشمسية مع بطاريات عالية الكفاءة.

٨. استراتيجيات مُخصصة حسب التطبيق

تستفيد تطبيقات الطائرات المُسيرة المختلفة من استراتيجيات مختلفة لتعزيز مدة الطيران. فتستفيد طائرات المسح والخرائط أكثر ما يمكن من مسارات الطيران المُحسَّنة وأنظمة التصوير خفيفة الوزن. أما طائرات التوصيل فتتطلب إدارة دقيقة للحمولة، وقد تستفيد من أنظمة الدفع الهجينة. وفي المقابل، تستفيد طائرات الفحص — التي تقضي غالبًا فترات طويلة في الطيران المعلَّق — من مراوح أكبر حجمًا ومحركات منخفضة القيمة (KV) وخوارزميات تثبيت متقدمة تقلل استهلاك الطاقة أثناء الطيران الثابت.

٩. الاتجاهات المستقبلية

إن السعي وراء زيادة عمر بطاريات الطائرات المُسيرة يُحفِّز الابتكار في مجالات متعددة. وسيستمر تحسين استهلاك الطاقة المدعوم بالذكاء الاصطناعي، والمواد المركبة المتقدمة، وتركيبات البطاريات الجديدة في إعادة تشكيل قدرات الطائرات غير المأهولة (UAV). ومع نضج بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم-كبريت، ستزداد أوقات الطيران بشكلٍ ملحوظ. ومن المرجح أن تتوسع تقنية خلايا الوقود لتشمل قطاع الخدمات اللوجستية التجارية والمراقبة على مسافات طويلة. كما أن التحسينات في الديناميكا الهوائية، والهياكل الخفيفة الوزن، وخوارزميات تنسيق الأسراب ستعزِّز كفاءة التشغيل بشكلٍ إضافي.

10. الخاتمة

يتطلب زيادة عمر بطاريات الطائرات المُسيرة نهجًا شاملاً يشمل تخزين الطاقة، والهندسة الإنشائية، وتصميم نظام الدفع، والتحكم الذكي، والانضباط التشغيلي. ولا تكفي أي تحسينات فردية بمعزل عن غيرها؛ بل تتحقق المكاسب الملحوظة من خلال دمج عدة استراتيجيات معًا. ومع استمرار تسارع التقدم التكنولوجي، ستتمكن الطائرات المُسيرة من تحقيق أوقات طيران أطول، ما يمكّنها من تنفيذ مهام أكثر تعقيدًا ويوسع نطاق دورها عبر مختلف القطاعات الصناعية. وتكمن مستقبل قدرة الطائرات غير المأهولة (UAV) على التحمل في التكامل بين المواد المتقدمة، والخوارزميات الأذكى، وأنظمة الطاقة المبتكرة، حيث تعمل جميعها معًا لدفع حدود ما يمكن للروبوتات الجوية إنجازه.